verilog数字系统设计6
verilog数字系统设计教程习题答案
verilog 数字系统设计教程习题答案第二章HDL 既是一种行为描述语言，也是一种结构描述语言。
如果按照一定的规则和风格编写代码，就可以将功能行为模块通过工具自动转化为门级互联的结构模块。
这意味着利用Verilog 语言所提供的功能，就可以构造一个模块间的清晰结构来描述复杂的大型设计，并对所需的逻辑电路进行严格的设计。
2.模块的基本结构由关键词module和endmodule构成。
3.一个复杂电路系统的完整Verilog HDL 模型是由若干个VerilogHDL模块构成的，每一个模块又可以由若干个子模块构成。
其中有些模块需要综合成具体电路，而有些模块只是与用户所设计的模块交互的现存电路或激励信号源。
利用Verilog HDL语言结构所提供的这种功能就可以构造一个模块间的清晰层次结构来描述极其复杂的大型设计，并对所作设计的逻辑电路进行严格的验证。
HDL和VHDL乍为描述硬件电路设计的语言，其共同的特点在于：能形式化地抽象表示电路的结构和行为、支持逻辑设计中层次与领域的描述、可借用高级语言的精巧结构来简化电路的描述、具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性、支持电路描述由高层到低层的综合转换、硬件描述与实现工艺无关（有关工艺参数可通过语言提供的属性包括进去）、便于文档管理、易于理解和设计重用。
5.不是6.将用行为和功能层次表达的电子系统转换为低层次的便于具体实现的模块组合装配的过程。
7.综合工具可以把HDL变成门级网表。
这方面Synopsys工具占有较大的优势，它的Design Compile 是作为一个综合的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior Compiler ，可以提供更高级的综合。
另外最近美国又出了一个软件叫Ambit ，据说比Synopsys 的软件更有效，可以综合50万门的电路，速度更快。
今年初Ambit 被Cadence 公司收购，为此Cade nee放弃了它原来的综合软件Syn ergy。
verilog教程
verilog教程Verilog是一种硬件描述语言（HDL），用于描述数字系统的行为和结构。
它是一种流行的HDL，广泛用于硬件设计和验证领域。
本教程将介绍Verilog的基本概念和语法，以帮助初学者入门。
一、Verilog的基本概念1.1 什么是VerilogVerilog是一种描述数字系统的语言，它可以用来描述硬件电路、验证设计的正确性以及进行电路仿真。
1.2 Verilog的应用领域Verilog广泛应用于硬件设计和验证领域，包括用于开发ASIC（应用特定集成电路）、FPGA（现场可编程门阵列）以及其他数字系统的设计。
1.3 Verilog的版本Verilog有多个版本，包括Verilog-1995、Verilog-2001以及最新的Verilog-2005、这些版本之间有一些语法和功能上的差异。
二、Verilog的语法结构2.1模块和端口在Verilog中，所有的电路描述都是由模块（module）组成的。
模块是电路的基本组成单元，可以看作是一个黑盒子，它接受一些输入，产生一些输出。
2.2信号声明在Verilog中，我们需要声明所有的输入和输出信号。
可以使用`input`和`output`关键字来声明这些信号。
2.3电路实现Verilog允许使用多种语句和结构来描述电路的行为和结构。
这些语句包括顺序语句、条件语句、循环语句以及层次结构。
2.4实例化模块在一个模块中，我们可以实例化其他的模块。
这样可以将一个大的电路拆分成多个小的模块，方便编写和测试。
三、Verilog的仿真和验证3.1静态验证Verilog语言本身提供了很多语法和语义层面的验证功能，对于语法和类型错误会有相应的提示。
3.2激励设计在进行电路验证时，我们需要为输入信号提供激励。
Verilog提供了一种称为`testbench`的特殊模块，用于生成输入信号并将其应用到待验证的电路中。
3.3波形仿真在Verilog中，我们可以使用仿真器来模拟电路的行为，并生成波形图来验证电路是否按预期工作。
数字系统设计与VerilogHDL
数字系统设计与Verilog HDL（复习）EDA（Electronic Design Automation）就是以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发环境，以PLD器件或者ASIC专用集成电路为目标器件设计实现电路系统的一种技术。
1．电子CAD（Computer Aided Design）2．电子CAE（Computer Aided Engineering）3．EDA（Electronic Design Automation）EDA技术及其发展p2EDA技术的应用范畴1.3 数字系统设计的流程基于FPGA/CPLD的数字系统设计流程1. 原理图输入(Schematic diagrams )2、硬件描述语言(HDL文本输入)设计输入硬件描述语言与软件编程语言有本质的区别综合（Synthesis）将较高层次的设计描述自动转化为较低层次描述的过程◆行为综合：从算法表示、行为描述转换到寄存器传输级（RTL）◆逻辑综合：RTL级描述转换到逻辑门级（包括触发器）◆版图综合或结构综合：从逻辑门表示转换到版图表示，或转换到PLD器件的配置网表表示综合器是能自动实现上述转换的软件工具，是能将原理图或HDL语言描述的电路功能转化为具体电路网表的工具适配适配器也称为结构综合器，它的功能是将由综合器产生的网表文件配置于指定的目标器件中，并产生最终的可下载文件对CPLD器件而言，产生熔丝图文件，即JEDEC文件；对FPGA器件则产生Bitstream 位流数据文件p8仿真（Simulation）功能仿真（Function Simulation）时序仿真（Timing Simulation）仿真是对所设计电路的功能的验证p9编程（Program）把适配后生成的编程文件装入到PLD器件中的过程，或称为下载。
通常将对基于EEPROM工艺的非易失结构PLD器件的下载称为编程（Program），将基于SRAM工艺结构的PLD器件的下载称为配置（Configure）。
verilog数字系统设计教程习题答案
verilog数字系统设计教程习题答案第二章1.Verilog HDL 既是一种行为描述语言，也是一种结构描述语言。
如果按照一定的规则和风格编写代码，就可以将功能行为模块通过工具自动转化为门级互联的结构模块。
这意味着利用Verilog语言所提供的功能，就可以构造一个模块间的清晰结构来描述复杂的大型设计，并对所需的逻辑电路进行严格的设计。
2.模块的基本结构由关键词module和endmodule构成。
3.一个复杂电路系统的完整Verilog HDL模型是由若干个Verilog HDL模块构成的，每一个模块又可以由若干个子模块构成。
其中有些模块需要综合成具体电路，而有些模块只是与用户所设计的模块交互的现存电路或激励信号源。
利用Verilog HDL语言结构所提供的这种功能就可以构造一个模块间的清晰层次结构来描述极其复杂的大型设计，并对所作设计的逻辑电路进行严格的验证。
4.Verilog HDL和VHDL作为描述硬件电路设计的语言，其共同的特点在于：能形式化地抽象表示电路的结构和行为、支持逻辑设计中层次与领域的描述、可借用高级语言的精巧结构来简化电路的描述、具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性、支持电路描述由高层到低层的综合转换、硬件描述与实现工艺无关（有关工艺参数可通过语言提供的属性包括进去）、便于文档管理、易于理解和设计重用。
5.不是6.将用行为和功能层次表达的电子系统转换为低层次的便于具体实现的模块组合装配的过程。
7.综合工具可以把HDL变成门级网表。
这方面Synopsys工具占有较大的优势，它的Design Compile是作为一个综合的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior Compiler，可以提供更高级的综合。
另外最近美国又出了一个软件叫Ambit，据说比Synopsys的软件更有效，可以综合50万门的电路，速度更快。
今年初Ambit被Cadence公司收购，为此Cadence 放弃了它原来的综合软件Synergy。
Verilog的用途
Verilog的用途1. 数字系统设计：Verilog最常见的用途之一是设计数字电路和系统。
它提供了一种描述硬件功能和结构的方式，使工程师能够将问题抽象成代码，并在硬件中实现。
因此，Verilog在各种应用中都发挥作用，包括处理器、存储器、通信系统、图像处理、音频处理等。
2. 硬件建模：Verilog可以用于建模和验证硬件系统的功能。
它允许工程师在早期设计阶段使用软件来仿真硬件行为，以验证设计的正确性。
通过建立准确的模型，工程师能够更好地理解和评估硬件系统。
3. 硬件验证：Verilog提供了一种验证硬件系统的方法。
验证是确保硬件系统工作正常的过程，通过提供大量的测试用例来检查系统的正确性。
工程师可以使用Verilog编写测试用例，并使用仿真器来验证硬件的行为。
4. 电路综合：Verilog还可以用于电路综合，将高级级代码转换为逻辑门级网表。
这是将设计从概念级到实施级的重要步骤。
通过电路综合，工程师可以根据特定的目标（如时延、功耗等）生成一个优化的电路设计。
5. FPGA和ASIC设计：Verilog是在FPGA（可编程逻辑器件）和ASIC（应用特定集成电路）上实现硬件设计的主要语言之一、由于FPGA和ASIC的实现目标不同，Verilog提供了灵活的设计风格和优化技术，以满足不同的需求。
6. 混合信号系统设计：除了数字设计外，Verilog还可以与模拟和混合信号系统集成。
这使得工程师能够在一个环境中同时处理数字和模拟信号，从而提高系统的整体性能和可靠性。
7. 硬件仿真：Verilog除了用于描述硬件行为外，还可以用于进行硬件仿真。
工程师可以在仿真器中加载Verilog代码，并模拟硬件的行为。
这样，他们可以在实际硬件实现之前评估系统的性能、功能和正确性。
8. 硬件调试：Verilog在硬件调试中也是非常有用的。
由于硬件设计的复杂性，出现错误时找到问题可能会很困难。
Verilog提供了调试功能，如信号波形查看、断点设置、单步执行等，可以帮助工程师定位和修复问题。
《verilog数字系统设计课程》（第二版）思考题答案
《verilog数字系统设计课程》（第⼆版）思考题答案绪论1.什么是信号处理电路？它通常由哪两⼤部分组成？信号处理电路是进⾏⼀些复杂的数字运算和数据处理，并且⼜有实时响应要求的电路。
它通常有⾼速数据通道接⼝和⾼速算法电路两⼤部分组成。
2.为什么要设计专⽤的信号处理电路？因为有的数字信号处理对时间的要求⾮常苛刻，以⾄于⽤⾼速的通⽤处理器也⽆法在规定的时间内完成必要的运算。
通⽤微处理器芯⽚是为⼀般⽬的⽽设计的，运算的步骤必须通过程序编译后⽣成的机器码指令加载到存储器中，然后在微处理器芯⽚控制下，按时钟的节拍，逐条取出指令分析指令和执⾏指令，直到程序的结束。
微处理器芯⽚中的内部总线和运算部件也是为通⽤⽬的⽽设计，即使是专为信号处理⽽设计的通⽤微处理器，因为它的通⽤性也不可能为某⼀特殊的算法来设计⼀系列的专⽤的运算电路⽽且其内部总线的宽度也不能随便的改变，只有通过改变程序，才能实现这个特殊的算法，因⽽其算法速度也受到限制所以要设计专⽤的信号处理电路。
3.什么是实时处理系统？实时处理系统是具有实时响应的处理系统。
4.为什么要⽤硬件描述语⾔来设计复杂的算法逻辑电路？因为现代复杂数字逻辑系统的设计都是借助于EDA⼯具完成的，⽆论电路系统的仿真和综合都需要掌握硬件描述语⾔。
5.能不能完全⽤C语⾔来代替硬件描述语⾔进⾏算法逻辑电路的设计？不能，因为基础算法的描述和验证通常⽤C语⾔来做。
如果要设计⼀个专⽤的电路来进⾏这种对速度有要求的实时数据处理，除了以上C语⾔外，还须编写硬件描述语⾔程序进⾏仿真以便从电路结构上保证算法能在规定的时间内完成，并能通过与前端和后端的设备接⼝正确⽆误地交换数据。
6.为什么在算法逻辑电路的设计中需要⽤C语⾔和硬件描述语⾔配合使⽤来提⾼设计效率？⾸先C语⾔很灵活，查错功能强，还可以通过PLI编写⾃⼰的系统任务，并直接与硬件仿真器结合使⽤。
C语⾔是⽬前世界上应⽤最为⼴泛的⼀种编程语⾔，因⽽C程序的设计环境⽐Verilog HDL更完整，此外，C语⾔有可靠地编译环境，语法完备，缺陷缺少，应⽤于许多的领域。
《Verilog数字系统设计教程》夏宇闻第四版思考题答案(第2章)
《Verilog数字系统设计教程》夏宇闻第四版思考题答案（第2章）1.Verilog语⾔有什么作⽤？可描述顺序执⾏和并⾏执⾏的程序结构；⽤延迟表达式或事件表达式来明确的控制过程的启动时间；通过命名的事件来触发其它过程⾥的激活⾏为或停⽌⾏为；提供了条件如if-else，case等循环程序结构；提供了可带参数且⾮零延续时间的任务程序结构；提供了可定义新的操作符的函数结构；提供了⽤于建⽴表达式的算术运算符，逻辑运算符，位运算符；Verilog HDL语⾔作为⼀种结构化的语⾔⾮常适⽤于门级和开关级的模型设计；提供了⼀套完整的表⽰组合逻辑的基本元件的原话；提供了双向通路和电阻器件的原话；可建⽴MOS器件的电荷分享和电荷衰减动态模型；Verilog HDL的构造性语句可以精确地建⽴信号的模型；2.构成模块的关键词是什么？module，endmodule。
3.为什么说可以⽤Verilog构成⾮常复杂的电路结构？因为Verilog可描述顺序执⾏和并⾏执⾏的程序结构；⽤延迟表达式或事件表达式来明确的控制过程的启动时间；通过命名的事件来触发其它过程⾥的激活⾏为或停⽌⾏为；提供了条件如if-else，case等循环程序结构；提供了可带参数且⾮零延续时间的任务程序结构；提供了可定义新的操作符的函数结构；提供了⽤于建⽴表达式的算术运算符，逻辑运算符，位运算符；Verilog HDL语⾔作为⼀种结构化的语⾔⾮常适⽤于门级和开关级的模型设计；提供了⼀套完整的表⽰组合逻辑的基本元件的原话；提供了双向通路和电阻器件的原话；可建⽴MOS器件的电荷分享和电荷衰减动态模型Verilog HDL的构造性语句可以精确地建⽴信号的模型；4.为什么可以⽤⽐较抽象的描述来设计具体的电路结构？因为有可以⽤⽐较抽象描述设计电路结构的语⾔，⽽这种语⾔是适合数字系统设计的语⾔。
5.是否任意抽象的符合语法的Verilog模块都可以通过综合⼯具转变为电路结构？不能。
EDA技术及应用—基于FPGA的电子系统设计：基于Verilog hdl的数字电路设计
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8421BC 余三码 D码
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4位格雷码
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4'b0011:a_to_g=7'b1111001; //显示3
4'b0100:a_to_g=7'b0110011; //显示4
4'b0101:a_to_g=7'b1011011; //显示5
4'b0110:a_to_g=7'b1011111; //显示6
4'b0111:a_to_g=7'b1110000; //显示7
4: y= {d[2:0],d[3]}; // rol
5: y= {d[3],d[3:1]}; // asr
6: y= {d[1:0],d[3:2]}; // ror2
7: y= d;
// noshift
default: y = d;
图6-2 基本门电路仿真结果
综合结果如图6-3所示。
图6-3 基本门电路综合结果
2、 三态逻辑电路
数字系统设计与verilog HDL 第6章
4．关系运算符（Relational operators） < 小于 <= 小于或等于 > 大于 >= 大于或等于
5．等式运算符（Equality Operators） == 等于 != 不等于 === 全等 !== 不全等
例：对于A=2'b1x和 B=2'b1x，则 A==B结果为x, A===B结果为1
关键字（Keywords）
Verilog语言内部已经使用的词称为关键字或
保留字，这些保留字用户不能作为变量或节点
名字使用。
关键字都是小写的。
6.2 常量
程序运行中，值不能被改变的量称为 常量（constants），Verilog中的常量主 要有如下3种类型：
◆ 整数 ◆ 实数
◆ 字符串
整数（integer）
字符串（Strings）
字符串是双引号内的字符序列。 字符串不能分成多行书写。例如：
"INTERNAL ERROR"
字符串的作用主要是用于仿真时，显示一些 相关的信息，或者指定显示的格式。
6.3 数据类型
数据类型（Data Type）是用来表示数字电路中的 物理连线、数据存储和传输单元等物理量的。
空白符和注释
空白符（White space） 空白符包括：空格、tab、换行和换页。空白符使 代码错落有致，阅读起来更方便。在综合时空白符 被忽略。 注释（Comment） ◆ 单行注释：以“//”开始到本行结束，不允许续 行 ◆ 多行注释：多行注释以“/*”开始，到“*/”结 束
标识符（Identifiers）
第6章 Verilog HDL语法与要素
主要内容
verilog数字系统设计教程
verilog数字系统设计教程Verilog数字系统设计教程作者：XXX引言：数字系统设计是现代电子工程中非常重要的一部分。
Verilog作为一种硬件描述语言，提供了一种方便且专业的方法来设计和描述数字系统。
本教程旨在为初学者提供关于Verilog数字系统设计的详细介绍和指导。
1. Verilog简介Verilog作为一种硬件描述语言，用于描述数字系统的功能、结构和时序行为。
它类似于C语言，但更专注于硬件级别。
Verilog可以用于设计各种数字系统，例如处理器、嵌入式系统、通信设备等。
2. Verilog基本语法2.1 模块定义Verilog的基本单位是模块。
模块是数字系统的基本组成部分，可以看作是一个独立的功能单元。
模块可以包含输入、输出、内部信号以及其它子模块等。
2.2 信号声明在Verilog中，可以声明各种类型的信号，包括输入信号、输出信号和内部信号等。
信号声明定义了信号的类型、宽度和方向。
3. Verilog建模3.1 组合逻辑建模组合逻辑是数字系统中最基本的部分。
Verilog提供了各种组合逻辑建模的方法，包括逻辑运算、选择结构和多路复用器等。
3.2 时序逻辑建模时序逻辑是数字系统中需要考虑时序关系的部分。
Verilog提供了时序逻辑建模的方法，包括触发器、计数器和时序控制等。
4. Verilog仿真4.1 仿真器介绍仿真器是用于验证数字系统设计的工具。
Verilog可以与各种仿真器配合使用，用于验证设计的正确性和性能。
4.2 仿真流程仿真流程包括编写测试平台和测试用例、编译和仿真等步骤。
本节将介绍基本的仿真流程和相关技巧。
5. Verilog综合5.1 综合概述综合是将Verilog代码转换为逻辑门级描述的过程。
综合器通过将Verilog代码映射到实际的硬件库中，生成能够实现指定功能的逻辑电路。
5.2 综合流程综合流程包括综合前的优化和综合本身两个阶段。
本节将介绍综合的基本流程和主要考虑因素。
verilog仿真课程设计
verilog仿真课程设计一、教学目标本课程的教学目标旨在让学生掌握Verilog仿真基本原理和方法，具备使用Verilog进行数字电路设计和仿真的能力。
知识目标：使学生了解Verilog语言的基本语法、数据类型、运算符、表达式以及常用的建模方法。
技能目标：培养学生运用Verilog进行数字电路设计、仿真和测试的能力，能够独立完成简单的数字系统设计。
情感态度价值观目标：培养学生对电子信息科学的兴趣，提高学生创新实践能力，培养学生团队合作精神。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括Verilog语言的基本语法、数据类型、运算符、表达式、建模方法以及数字电路的设计与仿真。
1.Verilog语言基本语法：介绍Verilog模块的结构、参数、端口以及语句的书写规范。
2.数据类型和运算符：讲解Verilog中的基础数据类型、复合数据类型以及常用运算符。
3.表达式：讲解Verilog中的算术表达式、关系表达式和逻辑表达式。
4.建模方法：介绍Verilog中的线网建模、模块实例化以及参数传递。
5.数字电路设计与仿真：以实例形式讲解如何使用Verilog进行组合逻辑电路、时序逻辑电路以及复杂数字系统的设计与仿真。
三、教学方法为提高教学效果，本课程将采用讲授法、案例分析法、实验法等多种教学方法相结合。
1.讲授法：通过讲解Verilog语言的基本语法、数据类型、运算符、表达式以及建模方法，使学生掌握理论知识。
2.案例分析法：通过分析实际案例，让学生了解Verilog在数字电路设计与仿真中的应用。
3.实验法：安排实验课程，让学生动手实践，巩固所学知识，提高实际操作能力。
四、教学资源为实现教学目标，我们将为学生提供丰富的教学资源，包括教材、参考书、多媒体资料以及实验设备。
1.教材：选用权威、实用的Verilog教材，为学生提供系统性的理论知识学习。
2.参考书：推荐学生阅读相关Verilog参考书籍，拓展知识面。
3.多媒体资料：制作精美的PPT课件，为学生提供直观的学习体验。
数字系统设计QuartusⅡ的VerilogHDL建模与仿真
使用Quartus II软件的设计输入工具， 将设计转换为可编程的硬件描述语言或
原理图。
仿真
使用Quartus II软件的仿真工具，对 设计进行功能仿真和时序仿真，以确
保设计的正确性。
综合与布局布线
将设计转换为可编程的配置文件，并 进行布局布线，以确保设计的正确性。
编程与配置
将生成的配置文件下载到FPGA芯片 中，完成数字系统的设计和实现。
VS
优化设计
根据仿真结果分析和实际需求，对 Verilog HDL代码进行优化，提高设计的 性能和可靠性。
05
数字系统设计实例
实例一
总结词
简单计数器
详细描述
简单计数器是一个常见的数字系统设计实例，用于对输入信号进行计数。通过Verilog HDL建模，可 以实现计数器的逻辑功能，并在Quartus II中进行仿真测试。
模块化设计
将复杂的数字系统划分为若干个 较小的模块，每个模块具有明确 的功能和接口，便于设计和验证。
行为描述
使用Verilog HDL的逻辑运算符、 控制语句等对数字系统的行为进 行描述，实现逻辑功能。
层次化设计
将不同层次的模块按照层次结构 组织起来，上层模块调用下层模 块，实现系统的层次化设计。
Verilog HDL的仿真流程和工具
移位运算符：左移、右移。
04
05
数据类型：`reg`、`wire`、 `integer`等。
03
Quartus II软件介绍
Quartus II软件的特点和功能
高度集成
Quartus II软件集成了数字系统设计所需的所有工具，包括编辑器、 编译器、仿真器等，方便用户进行一站式设计。
verilog数字课程设计
verilog数字课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解Verilog硬件描述语言的基本概念，掌握数字电路设计的基本原理。
2. 学会使用Verilog语言进行基本的数字电路模块设计，如逻辑门、组合逻辑电路和时序逻辑电路等。
3. 掌握Verilog语言中的测试平台编写，能够对设计的电路进行功能验证。
技能目标：1. 能够运用Verilog语言进行简单的数字系统设计，并能够进行模块化设计。
2. 培养学生通过Verilog语言解决实际数字电路问题的能力，提高编程技巧。
3. 学会使用相关EDA工具，如ModelSim进行仿真测试，验证设计电路的正确性。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对数字电路设计的兴趣，激发学习热情，增强实践操作能力。
2. 培养学生的团队合作意识，学会在团队中分工合作，共同解决问题。
3. 培养学生严谨的科学态度，注重实验数据的真实性，养成良好的学术道德。
本课程针对高年级学生，考虑其已具备一定的电子技术和编程基础，课程性质为实践性、应用性。
在教学过程中，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，培养其创新意识和实践能力。
通过课程学习，使学生能够将所学知识应用于实际数字电路设计中，为未来从事电子技术领域工作打下坚实基础。
二、教学内容本章节教学内容紧密围绕课程目标，涵盖以下方面：1. Verilog语言基础：包括数据类型、运算符、控制语句等基本概念，对应教材第二章内容。
2. 数字电路设计原理：介绍逻辑门、组合逻辑电路及时序逻辑电路设计原理，对应教材第三章内容。
3. Verilog模块化设计：学习如何进行模块化设计，掌握模块的调用和接口设计，对应教材第四章内容。
4. 测试平台与功能验证：教授如何编写测试平台，进行功能验证，对应教材第五章内容。
5. 仿真工具使用：学习ModelSim等仿真工具的使用，对设计电路进行仿真测试，对应教材第六章内容。
具体教学安排如下：1. 2课时：Verilog语言基础，使学生掌握基本语法和编程规范。
数字系统设计与VerilogHDL第五版教学设计
数字系统设计与VerilogHDL第五版教学设计数字系统设计与VerilogHDL是计算机专业的一门重要课程。
在本教学设计中，我们将以第五版数字系统设计与VerilogHDL为教材，为学生提供全面深入的理论学习和实践训练，帮助他们掌握数字系统设计的基本概念、数制转换、逻辑代数、组合逻辑设计和时序逻辑设计，并能够运用VerilogHDL进行数字系统的设计和仿真。
课程目标本课程的主要目标是让学生：1.熟练掌握数字系统设计的基本概念和原理，了解数制转换、逻辑代数、组合逻辑设计和时序逻辑设计等知识点。
2.熟悉VerilogHDL的语法和使用，能够进行数字系统的设计和仿真。
3.具备分析和解决数字系统设计中常见问题的能力，能够进行数字系统的优化和调试。
4.掌握团队协作和沟通能力，能够与他人合作完成数字系统设计的任务。
教学内容与安排教学内容本课程的教学内容包括以下几个部分：1.数字系统设计的基本概念和原理。
2.数制转换、逻辑代数、组合逻辑设计和时序逻辑设计的理论与实践。
3.VerilogHDL的语法和使用，数字系统的设计和仿真。
4.数字系统设计的优化和调试。
5.案例分析与实践项目。
教学安排本课程将采用理论课与实验课相结合的方式进行教学，具体安排如下：1.第1-2周：课程介绍，数字系统设计的基本概念和原理。
2.第3-5周：数制转换、逻辑代数、组合逻辑设计和时序逻辑设计的理论与实践。
3.第6-12周：VerilogHDL的语法和使用，数字系统的设计和仿真。
4.第13-14周：数字系统设计的优化和调试。
5.第15-16周：案例分析与实践项目。
教学方法本课程将采用以下教学方法：1.理论讲解：通过课堂讲解、课件展示等方式，向学生介绍数字系统设计的相关知识点和原理。
2.实验操作：通过实验课方式，让学生亲自操作数字系统设计软件，进行数字系统的设计和仿真，加深对知识点的理解和掌握。
3.课程设计：通过案例分析和实践项目，让学生综合运用所学知识，进行数字系统设计的设计和优化，培养实际操作能力和团队协作能力。
Verilog HDL 数字系统设计及实践 第1章 Verilog层次化设计
1.3 Testbench的概念
// 添加激励 initial begin #0 A = 4'b0000; // 激励信号i_A初始值0 B = 4'b0000; // 激励信号i_B初始值0 Cin = 1'b0; // 激励信号i_Cin初始值0 #20 A = 4'b1111; // 20ns后，i_A值变为15 #20 B = 4'b0001; // 20ns后，i_B值变为1 #20 A = 4'b1110; // 20ns后，i_A值变为14 #20 Cin = 1'b1; // 20ns后，i_Cin值变为1 #10 $finish; // 结束仿真 end // 调用系统函数$monitor, 监视列表中的参数变化并显示 initial $monitor($time, " A:%d B:%d Cin:%d , sum:%d , carry:%d ", A, B, Cin, S, Cout); endmodule
o_S
o_S[3]
o_Cout
图1.1 四位全加器结构图
1.2 模块和端口
module exap (A,B,C); input A,B; output C; …… //逻辑功能描述 endmodule
A
exap
B
C
图1.2 模块和端口 一个模块的代码主要由 下面几个部分构成： 模块名定义、端口描述 和内部功能逻辑描述。 一个模块通常就是 一个电路单元器件
1.3 Testbench的概念
tb_fadder i_A i_B i_Cin i_A o_S i_B i_Cin fadder_4 o_Cout $monitor 显示
图1.6 tb_fadder结构
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如果接收到R0，则键1被按下；如果R1收到，则键4被按下，等等。 把V置1，并输出N
如果没有在第一列检测到按键，则把C1置1并重复以上过程。 – 如果没有在第二列检测到案件，则把C2置1并重复以上过程。 – 当检测到一个键被按下时，依次把C2，C1，C0置1，直到再没有键被按下为 止。 去抖动器
同步与去抖动 Debouncing&Synchronising Circuit
一般抖动时间是不可预测，可持续多个时钟周期
可以定义一个抖动预测的时间，然后用计数器来实现
同步与去抖动 Debouncing&Synchronising Circuit
s0 s2 start_timer=0 reset_timer=0 pressvalid=0 press T start_timer=1 s1 start_timer=0 reset_timer=0 pressvalid=0 press rt=1 F F start_timer=0 reset_timer=0 pressvalid=0 press F start_timer=1 T
always@(posedge bclk) begin bdat_temp<=adat; bdat2<=bdatemp; endmodule
运用了两个触发器 组成的同步器
Metastability亚稳定性
A Clk
What if AW is still in a metastable state when FF2 is clocked?
•变态：有小车在次要马路行使，主干路红灯，次要马路绿灯。灯变化时，计 数器开始工作。记时完成，灯恢复常态。
连接的状态机
Metastability亚稳定性
•Metastable State
• 信号不是0或者1电平，或者在一段不能确定的时间长度里震荡
•Examples:
•Dual processor with shared memory •Asynchronous input and output •Processor interrupts •Yellow traffic light •Two people meet in hallway •Dog midway between two food dishes may starve
Metastability亚稳定性
Previous example: 2 FF brute-force synchronizer – 1 failure every 11 minutes (fE = 1.5 x 10-3) Add a third FF: – ts = th = tdCQ = t =100ps (same) – tcy = 2ns (same) – must sample a fE = 1MHz asynchronous signal (same) – PE = (.1+.1)/2 = 0.1 (same) – PS = exp(-3.6/.1) = exp(-36) = 2.3 x 10-16 – PF = PSPE = 2.3 x 10-17 – fF = fEPF = 2.3 x 10-11 (much) less than one failure every 10 years!
–
去抖动电路
键盘扫描器
译码器 译码器通过行号和列号 来决定键号，右图为译 码器所使用的真值表
键盘扫描器
键盘扫描控制器状态图：
ARCHITECTURE rtl OF synth IS signal bdat_temp : std_logic; BEGIN synth1_proc : PROCESS (aclk) IS begin if rising_edge (aclk) then adat <= dat; end if; end process; synth2_proc : PROCESS (bclk) IS begin if rising_edge (bclk) then bdat_temp <= adat; bdat2 <= bdat_temp; end if; end process; bdat1 <= bdat_temp; END rtl;
Clk
ts+th
tcy
Metastability亚稳定性
保持在Metastable state的概率
Still in metastable state if initial voltage difference was too small to be exponentially amplified during wait time
Probability of a given transition being in the setup+hold window is the fraction of time that is setup+hold window
t +t PE = s h = fcy (t s + th ) t cy
LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY synth IS PORT( aclk,bclk : IN std_logic; dat : IN std_logic; bdat1,bdat2 : OUT std_logic); END synth;
s3
start_timer=0 reset_timer=0 pressvalid=0
reset_timer F =1
T
T timed T
press F timed T pressvalid=1
F
同步与去抖动 Debouncing&Synchronising Circuit
单脉冲发生器
PRESS
SYNCPRESS
FF1 AW FF2 AS D D Q Q
Clk A AW AS
Metastability亚稳定性
Calculating Synchronization Failure (The Big Picture)
P(failure) = P(enter metastable state) x P(still in state after tw)
1 failure every 656 seconds ~ every 11 minutes This is not adequate. How do we improve it? How do we get failure rate to one every 10 years ~ 3 x 108s (fF < 3 x 10-9)
Probability of starting with this voltage is proportion of total voltage range that is ‘too small’
æ - tw ö DVS = DVF expç çt ÷ ÷ è S ø æ - tw ö PS = expç çt ÷ ÷ è S ø
Metastability亚稳定性
V2 Stable point
Metastable point
V1 + DV
V2 -
Stable point
V1
Metastability亚稳定性
Metastability亚稳定性
Metastability亚稳定性
Metastability亚稳定性
两个触发器的同步器
数字系统设计
第六讲 亚稳态和去抖动
提纲
连接的状态机 Metastability 同步和去抖动
连接的状态机
主干路 (major)
假定时间间隔（计 数器计数周期）是 256个时钟周期
传感器 (sensor)
次要马路 (minor)
•常态：主干路绿灯，次要马路红灯
*将交通灯控制功能从定时器分 离出来系统功能会比较清晰
D VF=1 D VS tw
Metastability亚稳定性
Failure的概率和误差
Each event can potentially fail. Failure rate = event rate x failure probability
PF fF
æ -t w ö = PEPS = (t s + th ) cy expç f ÷ t ø è æ - tw ö = fePF = (t s + th ) e fcy expç f ÷ è t ø
Exponentials grow quickly. Adding one flip flop took us from 11 minutes to 1,300 years.
同步与去抖动 Debouncing&Synchronising Circuit
抖动时间比时钟周期短
Contact closure
S1 D Q S0 SP
同步电路
Q’ CLK
键盘扫描器
4行3列的键盘
键区是按照矩阵形式布线的 ，每按一个键就代表在行与 列之间建立一个连接，扫描 器的作用是确定哪一个键被 按下同时输出二进制数 N=N3N2N1N0
键盘扫描器
电路的整体框图：
键盘扫描器
扫描器
– –
首先将C2,C1,C0置为逻辑1并等待。如果有键按下，R0，R1，R2，R3中会有一个是1. 然后只将列C0置1，如果Ri中有一个为1，则说明检测到一个有效按键
Metastability亚稳定性
进入Metastable state的概率
FF1 may enter the metastable state if the input signal transitions during the setup+hold window of the flip flop